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什麼是 ISO 格式?

ISO 映像

ISO 檔案格式,又稱為 ISO 9660,是國際標準化組織 (ISO) 於 1988 年發布的檔案系統標準。它被設計為光碟媒體(例如 CD-ROM)的跨平台檔案系統。目標是提供統一的方法,讓不同的作業系統都能從光碟讀取資料,確保互通性和相容性。

ISO 9660 定義了階層式檔案系統結構,類似於大多數作業系統使用的檔案系統。它將資料組織成目錄和檔案,每個目錄都能包含子目錄和檔案。此標準指定了磁碟區和目錄描述符的格式,以及用於快速存取目錄的路徑表。

ISO 9660 格式的主要特點之一是其簡潔性和相容性。此標準對檔案名稱、目錄結構和元資料施加限制,以確保光碟能被廣泛的系統讀取。檔案名稱限制為 8 個字元,後接 3 個字元副檔名 (8.3 格式),且只能包含大寫字母、數字和底線。目錄名稱也有類似的限制,最大深度為 8 層。

為了容納較長的檔案名稱和額外的元資料,ISO 9660 標準已透過各種規格進行擴充。其中一個擴充是 Joliet,由 Microsoft 於 1995 年推出。Joliet 允許較長的檔案名稱(最多 64 個 Unicode 字元)並支援大小寫敏感性。它透過包含使用 UCS-2 編碼的額外目錄記錄集來達成此目的,而支援 Joliet 擴充的系統會讀取這些記錄集。

ISO 9660 的另一個值得注意的擴充是 Rock Ridge,它是為 UNIX 系統開發的。Rock Ridge 將 POSIX 檔案系統語意(例如檔案權限、擁有權和符號連結)新增到 ISO 9660 格式中。此擴充允許在從 UNIX 檔案系統建立 ISO 映像時保留 UNIX 特定的檔案屬性。

ISO 9660 格式將光碟分割成邏輯區塊,每個區塊通常大小為 2,048 位元組。前 16 個區塊保留給系統使用,並包含磁碟區描述符,其中提供有關光碟結構和內容的資訊。主磁碟區描述符是強制性的,其中包含光碟的磁碟區識別碼、邏輯區塊的大小和根目錄記錄等詳細資訊。

在磁碟區描述符之後,路徑表會儲存在光碟上。路徑表包含有關光碟上每個目錄位置的資訊,允許快速瀏覽目錄階層。它包含 L 路徑表(小端序)和 M 路徑表(大端序),以支援各種系統使用的不同位元組順序。

目錄和檔案儲存在光碟的後續區塊中。每個目錄都由目錄記錄表示,其中包含目錄名稱、其父目錄和其關聯檔案和子目錄的位置等資訊。檔案儲存為邏輯區塊的連續序列,其位置和大小在目錄中的對應檔案識別碼記錄中指定。

在建立 ISO 映像時,檔案系統會先根據 ISO 9660 標準的要求進行組織。這包括確保檔案和目錄名稱符合 8.3 格式、限制目錄深度,以及將檔案名稱轉換為大寫。檔案系統準備好後,它會寫入副檔名為 `.iso` 的映像檔,然後可以燒錄到光碟或用作虛擬光碟映像。

要讀取 ISO 9660 格式的光碟,作業系統或專用軟體應用程式會先檢查磁碟區描述符,以確定光碟的結構和特徵。然後,它會使用路徑表和目錄記錄來瀏覽檔案系統階層並找到特定的檔案或目錄。當存取檔案時,系統會根據檔案識別碼記錄中提供的資訊,從光碟讀取適當的邏輯區塊。

ISO 9660 格式已被廣泛採用,至今仍普遍用於在光碟上分發軟體、多媒體內容和歸檔資料。它的簡潔性、相容性和穩健性促成了它的長壽,即使更新的光碟格式和檔案系統已經出現。

儘管 ISO 9660 標準已經問世一段時間,它在現代運算中仍然具有相關性。許多軟體應用程式和作業系統,包括 Windows、macOS 和 Linux,繼續原生支援此格式。此外,ISO 映像經常被用於分發作業系統安裝檔案、軟體套件和虛擬機器磁碟映像,因為它們提供了一種方便且與平台無關的方法來儲存和傳輸資料。

總之,ISO 9660 格式在標準化光碟檔案系統結構方面發揮了至關重要的作用,實現了跨平台相容性並促進了數位內容的發布。它的擴充,例如 Joliet 和 Rock Ridge,增加了對較長檔案名稱、額外元資料和 UNIX 特定屬性的支援。儘管光碟在很大程度上已被其他儲存媒體和基於網路的發布方法所取代,但 ISO 9660 格式仍然是歸檔和交換資料的可靠且廣泛支援的標準。

隨著技術的持續發展,ISO 9660 格式最終可能會被為高容量光碟或其他儲存媒體設計的更新、更先進的檔案系統所取代。然而,它對運算歷史的影響及其在建立跨平台資料交換標準化方法中的作用將不會被遺忘。ISO 9660 格式證明了互通性的重要性,以及業界在制定和採用標準方面合作的好處。

檔案壓縮透過減少冗餘,讓相同的資訊佔用更少的位元。可壓縮的上限受資訊理論約束:對於無失真壓縮,上界是信源熵(參見香農的信源編碼定理以及他於 1948 年發表的《通信的數學理論》)。對於有失真壓縮,碼率與感知品質之間的權衡由率失真理論描述。

兩大支柱:建模與編碼

多數壓縮器分兩個階段。首先,模型會預測或揭露資料中的結構。接著,編碼器把這些預測轉成近乎最優的位元型態。經典的建模家族是 Lempel–Ziv:LZ77 (1977)及 LZ78 (1978) 會偵測重複子字串並輸出參照而非原始位元組。編碼面則由霍夫曼編碼(見原始論文1952)為較常出現的符號分配更短的碼字。算術編碼範圍編碼再進一步逼近熵極限,而現代的非對稱數值系統(ANS)則用查表方式取得相似壓縮率。

常見格式怎麼做

DEFLATE(被 gzipzlibZIP 採用)把 LZ77 和霍夫曼編碼結合。其規格完全公開:DEFLATERFC 1951、zlib 封裝RFC 1950以及 gzip 檔案格式RFC 1952。Gzip 針對串流設計並明確不提供隨機存取。PNG 影像則把 DEFLATE 規範為唯一的壓縮方式(視窗最多 32 KiB),詳見 PNG 規格「Compression method 0… deflate/inflate… at most 32768 bytes」W3C/ISO PNG 第二版

Zstandard (zstd): 針對高壓縮率與極快解壓而設計的通用壓縮器。格式記載於RFC 8878(以及HTML 鏡像)和 GitHub 上的參考規格文件。與 gzip 類似,基本框架並不追求隨機存取。zstd 的絕招是字典:從語料擷取的小樣本能大幅改善許多小型或相似檔案的壓縮(參閱python-zstandard 字典文件Nigel Tao 的示例)。各實作同時支援「非結構化」與「結構化」字典(討論)

Brotli: 為網頁內容(如 WOFF2 字體、HTTP)優化,結合靜態字典與類 DEFLATE 的 LZ+熵編碼核心。規格載於RFC 7932,文件同時指出滑動視窗為 2WBITS-16,WBITS 介於 [10, 24](1 KiB-16 B 至 16 MiB-16 B),並且不嘗試隨機存取。Brotli 常在網頁文字上優於 gzip,解碼也相當快速。

ZIP 容器: ZIP 是一種檔案封存格式,可存放使用多種壓縮法(deflate、store、zstd 等)的項目。權威規格是 PKWARE 的 APPNOTE(參見APPNOTE 入口托管副本以及美國國會圖書館的概覽ZIP File Format (PKWARE)/ZIP 6.3.3)。

常見問題解答

什麼是檔案壓縮?

檔案壓縮是一個減少檔案或檔案群大小的過程,通常用於節省儲存空間或加速網路傳輸。

檔案壓縮是如何運作的?

檔案壓縮運作原理,透過識別並移除數據中的冗餘資訊。它使用演算法將原始數據編碼在較小的空間裡。

檔案壓縮有什麼類型?

兩種主要的檔案壓縮類型是無失真及有失真壓縮。無失真壓縮可以完美地恢復原始檔案,然而有失真壓縮在一些資料品質的損失下能得到更大的壓縮程度。

請給出一個檔案壓縮工具的範例?

一個常見的檔案壓縮工具範例是WinZip,它支援多種壓縮格式包括ZIP與RAR。

檔案壓縮會影響檔案質量嗎?

在無失真壓縮中,質量保持不變。然而,在有失真壓縮中,可能會有顯著的質量下降,因為它刪除了一些較不重要的數據以便更大程度地減少檔案大小。

檔案壓縮安全嗎?

是的,相對於資料的完整性來說,檔案壓縮是安全的,尤其是無失真壓縮。然而,如同所有檔案,被壓縮的檔案也可能受到惡意軟體或病毒的攻擊,所以總是需要有專業的安全軟體以保護。

什麼類型的檔案可以壓縮?

幾乎所有種類的檔案都可以被壓縮,包括文字檔案、圖像、音訊、視頻和軟體檔案。然而,壓縮程度可以因檔案類型而有顯著的不同。

什麼是ZIP檔?

ZIP檔是一種使用無失真壓縮以減少一個或多個檔案大小的檔案格式。在ZIP檔中的多個檔案被有效地打包為單一的檔案,這也讓分享變得更加容易。

我可以壓縮一個已經壓縮過的檔案嗎?

技術上可行,儘管額外的大小減少可能非常小或甚至適得其反。壓縮一個已經壓縮過的檔案有時可能會增加其大小,原因在於壓縮演算法所增加的metadata。

我該如何解壓壓縮的檔案?

解壓壓縮的檔案,通常需要一個解壓縮或解zip的工具,像是WinZip或7-Zip。這些工具可以从壓縮格式中提取原始檔案。